衛(wèi)星頻譜監(jiān)控系統(tǒng)研究＊

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著衛(wèi)星通信信道容量需求的增加，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量越來(lái)越多，轉(zhuǎn)發(fā)器監(jiān)控管理的任務(wù)也越來(lái)越重。衛(wèi)星通信可靠性依賴于穩(wěn)定暢通的傳輸信道，在實(shí)際中常常會(huì)出現(xiàn)各種意外情況［1～3］。如工作人員操作不當(dāng)上行功率過(guò)大或受到外來(lái)干擾，可能將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放推向飽和，產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性，信噪比急劇惡化，將影響用戶的正常傳輸。長(zhǎng)期工作在飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)發(fā)器本身將受到損壞，影響到其工作壽命，造成極大的危害和經(jīng)濟(jì)損失。所以現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中需要一個(gè)保障衛(wèi)星通信高穩(wěn)定性、高可靠性的衛(wèi)星頻譜資源監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行一個(gè)長(zhǎng)期的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)其運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，避免通信中斷和對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器的損壞。

2 頻譜監(jiān)控系統(tǒng)所應(yīng)具備的主要功能

2.1 頻譜監(jiān)視

能對(duì)在用的衛(wèi)星頻譜資源進(jìn)行監(jiān)視。可通過(guò)調(diào)整中心頻率、掃寬、分辨率帶寬、視頻帶寬等參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)行整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器或部分頻帶的監(jiān)視。

2.2 頻譜數(shù)據(jù)管理

可以將轉(zhuǎn)發(fā)器狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)生成告警日志，將數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為異常。數(shù)據(jù)庫(kù)中告警信息和應(yīng)急處理方案查詢可供匯總查詢，對(duì)所需監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行打印。

2.3 頻譜分析

對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器性能指標(biāo)進(jìn)行分析，如本底噪聲、信號(hào)功率、邊帶功率、載噪比、飽和通量密度、全向輻射功率等；

對(duì)主要衛(wèi)星通信系統(tǒng)的地球站發(fā)射的載波進(jìn)行頻譜分析，得到它的調(diào)制方式、編碼方式、載噪波、帶寬、信噪比、Eb／N0等參數(shù)值［4～5］。

2.4 雨衰因子測(cè)試

降雨引起的大氣衰減會(huì)使轉(zhuǎn)發(fā)器的全向輻射功率EIRP直接受到影響，當(dāng)EIRP的測(cè)量值超出其額定限度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算并存儲(chǔ)大氣衰減，當(dāng)信標(biāo)電平低于預(yù)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出雨衰告警，并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)［6］。

2.5 干擾定位

當(dāng)衛(wèi)星鏈路受到外來(lái)干擾時(shí)，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行特殊參數(shù)分析，對(duì)干擾源進(jìn)行快速定位，并提出抗干擾的相應(yīng)解決方案［7］。

3 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

建立衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)之前首先要建立用戶在正常傳輸情況下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。在進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，將測(cè)量的數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

3.1 掃頻寬帶、分辨帶寬及掃描時(shí)間的設(shè)置問(wèn)題

在對(duì)測(cè)量參數(shù)設(shè)置過(guò)程中，掃頻帶寬、分辨帶寬及掃描時(shí)間的組合非常重要。在測(cè)量同一信號(hào)的幅度時(shí)，當(dāng)使用不同的組合時(shí)常常會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，可能會(huì)使測(cè)量結(jié)果比實(shí)際信號(hào)要小。只有當(dāng)掃頻寬度分辨帶寬和掃面時(shí)間配置合理時(shí)才能對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確的測(cè)量［8］。

測(cè)量的最佳配置按以下公式計(jì)算：

式中，RBW為分辨帶寬、SPAN為掃頻寬度、Ts為掃描時(shí)間。

3.2 主要性能指標(biāo)的參數(shù)指標(biāo)

1）下行信號(hào)載噪比C／ND

當(dāng)接收信號(hào)時(shí)，載噪比必須要大于某一數(shù)值，如果小于這一數(shù)值誤碼率就會(huì)很高，當(dāng)載躁比小于一定成程度時(shí)，信號(hào)就不能被鎖定，該參數(shù)是界定在通信過(guò)程中是否收到干擾的重要指標(biāo)［9］。

其計(jì)算公式為

式中，EⅠRPS載波的下行全向輻射功率，和轉(zhuǎn)發(fā)器的LD為下行傳輸損耗，BWN為載波的噪聲帶寬。單位為dB。

2）誤碼率pb

當(dāng)受到干擾時(shí)，誤碼率肯定會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，我們可以根據(jù)誤碼率來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到干擾的程度。衛(wèi)星通信當(dāng)中通常采用數(shù)字調(diào)制方式是BPSK 和QPSK。就BPSK 和QPSK 調(diào)制器而言，誤碼率pb可以表示為

式中，Eb／N0是每比特能量對(duì)噪聲密度的比值。

3）品質(zhì)因數(shù)G／T

G／T被稱為接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)，其關(guān)系著轉(zhuǎn)發(fā)器接收性能的好壞。G／T是接收天線增益G與接收系統(tǒng)噪聲溫度T之比值，單位為dB／k，

其計(jì)算公式為

式中，GR為衛(wèi)星天線的接收增益，TS為衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度。

飽和通量密度SPFD 表示當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到飽和工作點(diǎn)時(shí)，上行載波在接收天線口面所達(dá)到的通量密度，單位為dBW／m2

SPFD 反映了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)上行功率的需求量，它的計(jì)算公式為

式中的constant為反映轉(zhuǎn)發(fā)器增益的計(jì)算常數(shù)，其數(shù)值多在-100 與-90 之間。constant越小，轉(zhuǎn)發(fā)器的增益就越高；attn為轉(zhuǎn)發(fā)器的增益調(diào)整量，它可被地面遙控改變，用于調(diào)整SPFD 的靈敏度。

5）全向輻射功率EⅠRP

EⅠRP定義為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在指定方向上的輻射功率，單位為dBW。它為天線增益與功放輸出功率之對(duì)數(shù)和，其計(jì)算公式為

式中，P為功率放大器的輸出功率，Loss為功放輸出端與天線饋源之間的饋線損耗，GT為衛(wèi)星天線的發(fā)送增益。

G／T和SFD 反映了衛(wèi)星接收系統(tǒng)的功能，這兩個(gè)參數(shù)和衛(wèi)星接收天線的增益線性相關(guān)。EIRP 與衛(wèi)星發(fā)送天線的增益線性相關(guān)，反映轉(zhuǎn)發(fā)器的下行功率。

基于以上四點(diǎn)分析可知，企業(yè)外宣翻譯活動(dòng)擁有與傳播過(guò)程相似的要素、類似的過(guò)程、共同的任務(wù)，且作為對(duì)外宣傳活動(dòng)，帶有明確的傳播目的，因而它具備與傳播相同的本質(zhì)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

圖1 軟件體系結(jié)構(gòu)圖

軟件主體由三部分組成：第一部分為用戶界面部分，提供用戶與系統(tǒng)友好訪問(wèn)。第二部分為應(yīng)用邏輯部分，主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。第三部分為數(shù)據(jù)庫(kù)，用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、訪問(wèn)及優(yōu)化，數(shù)據(jù)庫(kù)采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，用SQL語(yǔ)言操縱。該軟件可以在一臺(tái)PC 機(jī)上實(shí)現(xiàn)，采用Windows2000或者XP操作系統(tǒng)，在C＃的環(huán)境下對(duì)頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行調(diào)用，完成計(jì)算機(jī)對(duì)頻譜儀與頻譜監(jiān)測(cè)處理板的控制。

4.2 監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵算法

在頻譜監(jiān)測(cè)過(guò)程中最常用的有兩種算法，分別為寬帶自適應(yīng)掃描法和逐層遍歷算法［10］。

4.2.1 寬帶自適應(yīng)掃描法

寬帶自適應(yīng)掃頻算法可以準(zhǔn)確的獲取信號(hào)頻譜特征，同時(shí)也可以使掃頻時(shí)間盡可能的短。該算法通過(guò)對(duì)信號(hào)頻譜使用一個(gè)較大分辨率帶寬進(jìn)行粗掃，獲取信號(hào)的總體形狀特征，根據(jù)其形狀特征將整個(gè)需要掃描的頻帶分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。然后再分析每一個(gè)部分的特征，采用適當(dāng)?shù)姆直媛逝c視頻帶寬對(duì)其進(jìn)行細(xì)掃，再將當(dāng)前部分為更小的部分，依次類推，最后對(duì)每一個(gè)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)其特征分析其是否被干擾。

4.2.2 逐層遍歷算法

根據(jù)寬帶自適應(yīng)掃描算法需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行劃分，先粗分幾個(gè)部分，然后再對(duì)每一個(gè)粗分的部分再進(jìn)行細(xì)分，直到得出每一個(gè)單路信號(hào)。根據(jù)這一特點(diǎn)可以得出一個(gè)樹(shù)的關(guān)系。如圖2，逐層的遍歷算法是從樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)到子節(jié)點(diǎn)的順序訪問(wèn)樹(shù)中的元素。在同一層中，從左到右進(jìn)行訪問(wèn)，直到遍歷玩每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)。

圖2 逐層遍歷算法示意圖

5 頻譜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 頻譜監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)通過(guò)若干Ku天線對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行接收，然后經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大、下變頻器進(jìn)行變頻后，經(jīng)中頻交換矩陣將載波信號(hào)分流到頻譜監(jiān)測(cè)處理板、頻譜分析儀和衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)視識(shí)別系統(tǒng)，頻譜監(jiān)測(cè)處理板通過(guò)處理機(jī)計(jì)算機(jī)的讀取進(jìn)行衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜資源監(jiān)視。衛(wèi)星監(jiān)視識(shí)別設(shè)備對(duì)調(diào)制方式、編碼方式進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)載波頻率、帶寬、載噪比等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)比對(duì)判斷是否異常，進(jìn)行異常報(bào)警。頻譜分析儀可以將衛(wèi)星資源更直觀的顯示出來(lái)。最后將運(yùn)行狀態(tài)綜合顯示在監(jiān)控大屏幕上。如圖3所示。

5.2 頻譜監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件主要采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，利用C＃將程序劃分為若干個(gè)模塊，主要包括用戶管理模塊、任務(wù)管理模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。其具體功能框架圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)框架圖

圖5 頻譜監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖

1）用戶管理模塊

用戶管理模塊主要是用于建立用戶資料，并通過(guò)相應(yīng)的用戶建立一個(gè)訪問(wèn)權(quán)限，通過(guò)其相應(yīng)的權(quán)限密碼才能對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行登錄。

2）任務(wù)管理模塊

任務(wù)管理模塊主要用于對(duì)所需要監(jiān)測(cè)的任務(wù)進(jìn)行設(shè)定，比如輸入對(duì)衛(wèi)星的經(jīng)緯度對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行定位，設(shè)置對(duì)衛(wèi)星鏈路掃描的頻率和參數(shù)。

3）天線模塊

天線模塊用于在對(duì)衛(wèi)星頻譜監(jiān)測(cè)前的天線對(duì)星，通過(guò)輸入衛(wèi)星的方位信息計(jì)算出衛(wèi)星的仰角和方位角，對(duì)天線的校零和對(duì)天線的狀態(tài)進(jìn)行反饋，可以進(jìn)行手動(dòng)對(duì)星和自動(dòng)對(duì)星的切換。

4）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理之后將衛(wèi)星頻譜顯示出來(lái)，進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)參數(shù)的盲分析進(jìn)行調(diào)制識(shí)別和編碼識(shí)別，最后將監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。

5）數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊將檢測(cè)到的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)里的正常模板信息進(jìn)行比對(duì)，并將檢測(cè)到的頻譜信息和鏈路參數(shù)進(jìn)行記錄，并對(duì)相應(yīng)的環(huán)境信息記錄，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的衛(wèi)星鏈路數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)發(fā)出信息報(bào)警，并將異常信息進(jìn)行記錄并打印。圖5為軟件工作的流程圖。

6 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了一種地對(duì)衛(wèi)星頻譜進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以有效地對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的衛(wèi)星通信鏈路進(jìn)行保障，提高衛(wèi)星通信鏈路的可靠性和穩(wěn)定性。使用戶能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信中出現(xiàn)的問(wèn)題，得到正常的通信傳輸。及時(shí)了解轉(zhuǎn)發(fā)器的實(shí)時(shí)狀態(tài)，可以防止對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器的使用的壽命損害。

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